재사용 로켓 실험
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1. 개요
재사용 로켓 실험은 로켓을 재사용하여 우주 수송 비용을 절감하기 위한 연구 및 실험을 의미한다. 일회용 로켓은 비용, 안전, 환경 문제, 자원 낭비 등의 단점이 있어, 재사용 로켓은 이러한 문제를 해결할 대안으로 제시되었다. 미국 우주왕복선 개발 시도가 있었지만, 정비 비용 문제로 인해 실패했고, 현재는 일본의 RVT 개발과 재사용 관측 로켓 계획을 통해 기술 축적을 시도하고 있다. RVT는 여러 차례의 실험을 통해 기술을 검증했으며, 유인 우주 비행 및 준궤도 우주 관광 로켓으로의 발전을 목표로 하고 있다.
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| 재사용 로켓 실험 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 개발 | |
2. 역사적 배경
우주 개발의 가장 큰 걸림돌 중 하나는 막대한 비용 문제였다. 지구에서 우주로 물자를 수송하는 데 사용되는 로켓을 일회용으로 사용하는 방식이 주된 원인이었다. 로켓 제작 비용 자체가 수송 비용의 상당 부분을 차지했기 때문에, 로켓을 항공기처럼 반복해서 사용할 수 있다면 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것이라는 기대가 재사용 로켓 개발 논의로 이어졌다.
비록 초기 시도들이 기술적, 경제적 어려움에 부딪히기도 했지만, 비싼 로켓을 계속 일회용으로 사용하는 방식은 비용 문제뿐 아니라 안전, 환경 보호, 자원 절약 측면에서도 한계가 명확했다. 따라서 경제적이고 효율적인 재사용 로켓 개발은 우주 시대를 열어가기 위한 중요한 과제로 꾸준히 연구되어 왔다.
2. 1. 초기 개념 및 시도
우주 개발 초기에는 지구에서 우주로 물자를 수송하는 데 막대한 비용이 들었는데, 이는 주로 수송 수단인 로켓을 일회용으로 사용했기 때문이다. 우주 로켓 제작에는 수십억에서 수백억 엔에 달하는 비용이 들었고, 이것이 수송 비용의 대부분을 차지했다. 만약 로켓이 항공기처럼 귀환하여 정비와 연료 보급 후 반복 비행할 수 있다면, 비행 1회당 비용이 크게 줄어 수송 비용을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대되었다.이러한 배경에서 다양한 재사용 로켓(RLV) 개념이 검토되었다. 미국은 우주왕복선을 통해 재사용 발사체를 실용화하려 했으나, 실제로는 정비에 예상보다 훨씬 많은 비용이 들어 오히려 일회용 로켓보다 비싸지는 결과를 낳았다. (자세한 내용은 우주왕복선 문서 참고) 이 때문에 2007년 무렵까지도 우주 수송은 일회용 로켓이 주류를 이루었다.
하지만 비싼 로켓을 계속 일회용으로 사용하는 것은 비용 절감에 명백한 한계가 있었다. 또한 발사 때마다 로켓을 폐기하는 방식은 안전, 환경 보호, 자원 절약 측면에서도 바람직하지 않았다. 결국 일회용 로켓은 경제적인 재사용 로켓이 실현되기 전까지의 임시방편으로 여겨졌다.
재사용 로켓의 구체적인 형태로 여러 방식이 연구되었는데, 그중 하나는 1단 로켓만으로 위성 궤도에 도달하는 단단식 우주 수송기(SSTO)이면서 수직 이착륙(VTOL)이 가능한 로켓이었다. 이 개념은 1970년대 미국에서 처음 제안되었으며, 태양광 발전 위성 건설이나 우주 관광 실현의 열쇠로 여겨졌다. 1990년대에는 맥도넬 더글러스사가 델타 클리퍼 설계를 바탕으로 수직 이착륙 기술을 검증하기 위한 실험기 DC-X를 제작하여 비행 시험에 성공하기도 했다.
2. 2. 일본의 RVT 개발
미래의 재사용 로켓 실현을 위해 요소 기술 개발의 필요성이 제기되었다. 이에 따라 1998년, 일본의 우주과학연구소(ISAS)는 위성 궤도에 도달하는 능력은 없지만 소형이고 저렴하며 반복해서 비행할 수 있는 로켓을 개발하고 운용하여 기술 축적을 도모하는 계획을 세웠다. 이것이 RVT이다.3. 기술적 특징
재사용 로켓 실험(RVT)은 수직 이착륙과 반복 사용이 가능한 로켓 기술을 실증하는 것을 목표로 했다. 이를 위해 액체 수소와 액체 산소를 추진제로 사용했으며, 엔진은 초기 가스 가압식에서 시작하여 성능과 반복 운용성을 높인 터보 펌프 방식으로 발전시켰다. 특히, 수직 이착륙을 위한 정밀한 추력 제어 기술이 핵심 요소였다.
기체의 자세 제어는 초기에는 고압 질소 가스를 이용한 추력기를 사용했으나, 이후 엔진 및 추진제 시스템과 통합된 수소 및 산소 가스 스러스터를 개발하여 시스템을 단순화하고 효율을 높였다. 비행 정확도를 높이기 위해 GPS 기반의 항법 시스템을 도입했으며, 기체 구조는 초기 프레임 형태에서 공기 저항 감소와 내부 부품 보호를 위한 에어로쉘을 장착하는 방식으로 진화했다.
기체 무게를 줄이기 위한 노력도 중요한 기술적 특징 중 하나로, 기존의 금속 탱크 대신 가볍고 강도가 높은 복합재료를 액체 수소 탱크 등에 적용했다. 이러한 다양한 기술적 시도와 개선을 통해 RVT는 여러 차례의 이착륙 실험을 성공시키며, 단기간 내 반복 비행 능력을 검증하고 향후 실용적인 재사용 발사체 개발의 기술적 토대를 마련했다.
3. 1. 개발 과정
RVT는 기체 제작, 지상 실험, 비행 실험을 반복하는 방식으로 개발이 진행되었다. 새로운 기체를 제작할 때는 이전 기체의 부품과 신규 개발 부품을 조합하였으며, 2006년까지 총 4번의 기체(RVT#1 ~ RVT#4)가 만들어졌다. 지상 실험 및 비행 실험은 특정 목적을 가지고 수행되는 일련의 실험 과정을 RVT-1부터 RVT-11과 같이 명명하여 관리한다. 예를 들어, 9번째 실험 시리즈(제3차 비행 실험)는 RVT-9로 불리며, 이 RVT-9 시리즈 내에서의 2번째 비행은 RVT-9-2와 같이 세부 번호를 붙여 구분한다.3. 1. 1. RVT#1
최초로 개발된 기체이다.- 추진제는 연료로 액체 수소, 산화제로 액체 산소를 사용하며, 추진제 탱크는 구형 금속 탱크이다.
- 엔진은 1기로, 가스 가압식으로 간소화되었다. 수직 이착륙에 필요한 추력 제어 기능을 갖추었지만, 추력 편향은 수행하지 않는다.
- 자세 제어에는 고압 질소 가스를 이용한 추력기를 사용했다.
- 기체 전체는 야구라 모양의 프레임 구조로 되어 있다. 프레임 하단에는 엔진, 내부에는 연료 탱크, 상부에는 산화제 탱크, 그리고 최상단에는 자세 제어용 질소 가스 탱크와 추력기를 장착하고 있다. 프레임 하부 주위에는 추진제 가압용 고압 헬륨 탱크를 장착했다. 공기 저항을 감소시키는 에어로쉘은 장착하지 않았다.
'''시험 이력'''
| 날짜 | 시험 종류 | 내용 |
|---|---|---|
| 1998년 8월 24일 - 9월 5일 | 1차 엔진 추력 특성 시험 | 기체의 주요 부분을 조립하여 받침대에 고정한 상태에서 실시했다. 추력의 제어 특성 및 효율적인 운용에 관한 각종 데이터를 획득했다. |
| 1998년 10월 23일 - 11월 8일 | 2차 엔진 추력 특성 시험 | 기체를 거의 비행 상태까지 조립하여 지상에 설치한 상태에서 진행되었다. 엔진의 추력 제어 특성, 기체에 대한 환경 영향 조사, 비행에 사용할 항법 유도 제어계 기기의 동작 확인, 비행 실험을 위한 운용 숙련 등을 수행했다. |
3. 1. 2. RVT#2
RVT#2는 개량을 통해 비행 범위 확대를 추진하였다. 주요 개량 내용은 내구성이 강화된 엔진 설계, GPS를 이용한 항법 시스템 도입, 그리고 에어로쉘 적용 등이다.3. 1. 3. RVT#3
'''2000년 3월 6일 - 3월 23일 제3차 지상 연소 실험'''기체의 주요 부분을 조립하여 받침대에 고정한 상태로 진행되었다. 이 실험을 통해 신형 엔진의 추력 특성을 확인하였다. 또한 고도 100km를 목표로 하는 실용 기기 개발에 필요한 기술 축적을 위해 다음과 같은 개량이 이루어졌다.
- 복합재료 액체 수소 탱크화
- 엔진 분사기 고기능화
- 재사용 운용의 세련화
- 비행 범위 확대
'''2001년 12월 상순 - 중순 엔진 단독 지상 연소 시험'''
IHI 로켓 시험 센터(효고현 아이오이시)에서 새로운 분사기를 장착한 엔진의 성능 확인 시험이 이루어졌다.
3. 1. 4. RVT#4
2000년 7월 17일부터 8월 4일까지 진행된 제4차 지상 연소 실험에서는 기체를 실제 비행 형태와 동일하게 조립하여 테스트했다. 실험 후반에는 에어로쉘을 장착하여 이착륙 시 엔진 고열의 지면 반사 영향 및 수소 누출 감지(에어로쉘 내 축적) 등을 확인했다. 이 실험은 고도 100km 도달을 목표로 하는 실용 기기 개발에 필요한 기술 축적을 위해 다음과 같은 개량을 진행했다.- 복합재료 액체 수소 탱크 적용
- 엔진 분사기 고기능화
- 재사용 운용 방식 개선
- 비행 범위 확대
2003년 3월 14일부터 3월 30일까지의 제5차 지상 연소 실험에서는 복합재 추진제 탱크 등을 적용하여 경량화한 신형 기체를 조립해 연소 실험을 실시했다. 이는 향후 계획된 재사용 관측 로켓에 적용될 핵심 기술들을 실증하기 위한 과정이었다. 주요 기술 개발 내용은 다음과 같다.
- 엔진을 기존의 가스 가압 방식에서 터보 펌프 방식으로 변경하여 성능 향상
- 액체 산소 탱크의 복합재료화
- 자세 제어용으로 수소 가스 및 산소 가스를 이용한 스러스터를 사용하고, 이를 엔진 및 추진제 시스템과 통합
이후 터보 펌프식 엔진의 성능과 신뢰성을 높이기 위한 실험이 지속되었다. 2006년 11월에는 수명 관리와 고응답 제어가 가능하여 반복 운용에 유리한 터보 펌프식 엔진의 연소 시험(제11차 지상 연소 실험)이 진행되었다. 2007년 9월에는 JAXA 가쿠다 우주 센터에서 추력 제어 응답성 개선과 안정성 향상을 목표로 새롭게 설계된 액체 수소 터보 펌프의 단품 시험(제3차 터보 펌프 단품 시험)이 이루어졌다. 같은 해 11월부터 12월까지 JAXA 노시로 다목적 실험장에서 진행된 2차 터보 펌프식 엔진 지상 연소 시험에서는 4차례의 시험을 통해 고응답 추력 제어 기능과 비행 중 재점화를 고려한 저연료 소비 기동 방법 등에 대한 데이터를 확보했다.
2008년 12월 초에는 노시로 다목적 실험장에서 추력 8kN급 터보펌프식 익스팬더 사이클 엔진을 사용한 시스템의 3차 지상 연소 시험이 9회 실시되었다. 이 시험에서는 엔진의 한계 특성, 기체 시스템과의 적합성, 추력 제어의 주파수 및 스텝 응답성, 저추력 한계를 확인하는 딥 스로틀링(Deep Throttling, 추력 대폭 감소) 시험 등이 수행되었다. 2009년 3월 초의 4차 지상 연소 시험에서는 추력 70%를 넘는 고추력 영역에서의 추진 특성과 추력 제어 특성 데이터를 확보하고 기체 시스템 적합성을 평가했다. 이러한 일련의 실험을 통해 터보 펌프 엔진을 중심으로 한 실용적인 재사용 로켓 기술의 기반을 다졌다.
3. 2. 실험 및 성과
RVT는 기체 제작, 지상 실험, 비행 실험을 반복하며 개발되었다. 새로운 기체는 이전 기체의 부품과 신규 개발 부품을 조합하여 제작되었으며, 2006년까지 RVT#1부터 RVT#4까지 총 4번 제작되었다. 지상 및 비행 실험은 목적에 따라 RVT-1부터 RVT-11과 같이 번호가 붙여졌고, 각 실험 내의 비행은 다시 번호로 구분되었다. 예를 들어, 9번째 실험인 제3차 비행 실험은 RVT-9로, 해당 실험의 두 번째 비행은 RVT-9-2로 명명되었다.주요 이착륙 실험 결과는 다음과 같다.
4. 재사용 관측 로켓
재사용 로켓 기술(RVT) 연구의 실용화 방안 중 하나로 재사용 가능한 관측 로켓 개발이 계획되었다. 2008년 8월, 이 계획은 JAXA 우주공학위원회의 심사를 통과하여 본격적인 개발 단계(프리 프로젝트)로 진입했다.
이 로켓은 기존의 소형 실험기와 달리, 상당한 규모의 페이로드를 고도 100km까지 운반하는 것을 목표로 설계된 대형 로켓이었다. 엔진 여러 기를 탑재하는 등 규모가 확대되었으며, 개발 목표는 획기적인 비용 절감과 실험 편의성 증대에 초점을 맞추었다.
개발 과정에서 미쓰비시 중공업과의 협력을 통해 로켓 제원이 구체화되고, 엔진 내구성 시험이 완료되는 등 기술적 진전이 있었다.
그러나 이러한 노력에도 불구하고 재사용 관측 로켓은 최종적으로 실용화되지 못했으며, 관련 기술 실증 프로젝트는 2016년에 종료되었다. 이후 JAXA는 새로운 재사용 실험기 RV-X 개발과 국제 협력 프로젝트인 CALLISTO를 통해 로켓 1단 재사용 기술 연구를 이어가게 되었다.
4. 1. 개발 목표 및 기대 효과
재사용 관측 로켓은 기존 RVT 시리즈의 기본 설계를 계승하면서도 전면적인 확대 발전을 목표로 개발되었다. 페이로드 약 100kg을 탑재하고 고도 100km까지 도달하는 성능을 목표로 설정했으며, 이를 위해 엔진 4기를 탑재하는 등 기체를 대폭 대형화할 계획이었다. 총 개발 기간은 5년, 예상 비용은 50억엔로 추산되었다.이 로켓의 가장 큰 기대 효과는 비용 절감이었다. 1일 1회 비행을 5회 연속 실시 후 분해 정비를 받는 방식으로 운용하며, 1회 비행 비용을 2500만엔 수준으로 낮추는 것을 목표로 했다. 이는 1기당 2억엔에서 6억엔가 소요되는 기존의 일회용 관측 로켓과 비교했을 때 획기적인 비용 절감 효과를 가져올 것으로 기대되었다.
비용 절감 외에도 실험의 편의성 증대가 주요 기대 효과였다. 기존 로켓은 탑재된 실험 기기를 회수하기 위해 낙하산을 이용해 해상에 착수시키는 등 많은 노력이 필요했지만, 재사용 로켓은 기기 회수를 용이하게 하여 비용을 절감하고, 고가이거나 충격에 약한 정밀 기기의 탑재 가능성을 높였다. 또한, 임의의 고도에서 공중 정지(호버링)하는 기능을 통해 기존 로켓으로는 불가능했던 고층 대기 관측 등 새로운 형태의 과학 연구 수행이 가능해질 것으로 전망되었다.
JAXA는 이러한 소형 재사용 로켓의 개발 및 운용 경험 축적이 미래의 대형 재사용 로켓 개발로 이어지는 중요한 기술적 발판이 될 것으로 기대했다. "항공기처럼 간소한 정비로 반복 비행하는 로켓"의 실현은 우주 개발의 비용 효율성을 높이고 접근성을 개선하는 데 기여할 것으로 보았다.
4. 2. 개발 현황 및 한계
JAXA와 미쓰비시 중공업 등은 협력하여 재사용 가능한 관측 로켓 기술을 실증하기 위한 연구를 진행했다. 이 재사용 관측 로켓은 2008년 8월 실증 계획이 승인되어 개발이 시작되었으며, 기존의 실험용 로켓(RVT)을 바탕으로 전면적인 개량을 목표로 했다. 목표 성능은 페이로드 100kg을 싣고 고도 100km까지 도달하는 것이었다. 개발에는 5년의 기간과 50억엔의 비용이 예상되었다.2014년, 미쓰비시 중공업은 JAXA와의 협력 연구 성과를 발표하며 재사용 관측 로켓의 주요 제원을 공개했다.
| 항목 | 제원 |
|---|---|
| 전장 | 13.5m |
| 전비 중량 | 11.6ton |
| 엔진 추력 | 40kN × 4기 |
2015년 6월, JAXA는 재사용 로켓 엔진의 기술 실증 시험 완료를 발표했다. 시험 결과, 엔진은 총 142회의 기동 및 정지와 3785초의 누적 연소 시간을 기록하며 100회 발사에 해당하는 내구성을 입증했다. 이러한 기술적 진전에도 불구하고, 재사용 관측 로켓 자체는 실용화 단계에 이르지 못했다.
결국 2016년, 재사용 관측 로켓 기술 실증 프로젝트는 공식적으로 종료되었다. 프로젝트 종료 후, JAXA는 새로운 재사용 실험기 RV-X 개발을 시작했으며, 이후 독일, 프랑스, 일본 공동의 CALLISTO 실험기를 거쳐 로켓 1단 재사용을 검토하게 되었다.
5. 유인 우주 비행으로의 전망
재사용 로켓 기술은 단순히 발사 비용을 절감하는 것을 넘어, 유인 우주 비행의 안전성을 향상시키는 데 중요한 기여를 할 수 있다. 기존의 일회용 로켓은 발사마다 폐기되어 안전 및 환경적 부담이 있었으나, 재사용 로켓은 항공기와 같이 안전하게 귀환하여 반복 사용하는 것을 목표로 한다.
이러한 재사용 로켓 개발 과정에서 확보되는 고장 감내 및 안전 착륙 기술은 유인 비행 시 탑승자의 생명을 보호하는 데 필수적이다. 비행 중 문제가 발생하더라도 안전하게 임무를 중단하고 귀환할 수 있는 능력은 유인 우주선의 핵심 요구 사항과 일치한다.
일본의 RVT(재사용 로켓 실험) 프로젝트 역시 초기 기획 단계부터 관계자들이 유인화 가능성에 주목했다. RVT 자체는 직접적인 유인 비행을 목표로 하지 않았지만, 이 프로젝트를 통해 축적된 재사용 기술과 운용 경험은 향후 더 안전하고 신뢰성 있는 유인 우주선 개발의 밑거름이 될 수 있다. 이는 장기적으로 인류의 우주 활동 영역을 넓히는 데 중요한 발판이 될 것으로 기대된다.
5. 1. 준궤도 우주 관광
재사용 로켓은 반복 비행을 통해 기체 제조 비용을 감가상각하여 비행 비용을 낮추는 것을 목표로 한다. 이를 위해서는 비행 중 이상을 조기에 발견하고 일부 기능을 정지시키더라도 정상적인 기능만으로 안전하게 착륙하는 능력이 필수적이다. 이는 항공기에서는 당연한 요구 사항이며, 경제적인 이유뿐만 아니라 탑승자의 생명을 확실히 보호하기 위해서도 중요하다. 따라서 재사용 로켓에 요구되는 기술은 유인화에도 직접적으로 도움이 된다.이러한 기술적 배경 속에서, 최근 활발하게 논의되는 준궤도 우주 관광용 로켓 개발에 대한 기대가 커지고 있다. 패트릭 콜린스 등 일부 전문가들은 일본의 RVT(재사용 로켓 실험) 기술을 발전시키면 준궤도 우주 관광 로켓을 실현할 수 있다고 보고, '우주마루'라는 이름의 로켓을 제안하기도 했다. 우주마루는 정원 5명(승무원 2명, 승객 3명)을 태우고 수직으로 이착륙하는 로켓으로, 기존의 재사용 관측 로켓보다 한 단계 더 큰 규모로 구상되었다. 개발 비용은 약 300억엔, 승객 1인당 예상 요금은 30만엔으로 추산되었다. 이처럼 비행 비용이 현저히 낮게 추산된 것은 정비 및 운용 비용을 일반 항공기 수준으로 낮출 수 있다는 가정을 전제로 했기 때문이다.
6. 대한민국의 재사용 발사체 개발 현황 (추가)
대한민국은 우주 발사체 분야에서 독자적인 기술 역량을 확보하기 위해 지속적으로 노력하고 있다. 누리호 개발 성공 등을 통해 기초적인 발사체 기술을 축적했으며[1], 세계적인 우주 기술 경쟁 흐름에 발맞춰 재사용 발사체 기술 개발에도 관심을 보이고 있다. 아직 구체적인 재사용 발사체 개발 계획이나 성과가 널리 알려진 바는 없으나, 한국항공우주연구원 등을 중심으로 관련 기술 동향을 주시하며 기초 연구를 진행할 가능성이 있다. 이는 장기적으로 우주 발사 비용을 절감하고 우주 개발 경쟁력을 강화하기 위한 노력의 일환으로 해석될 수 있다.
참조
[1]
웹사이트
Reusable Rocket Vehicle Test (RVT)
http://www.isas.jaxa[...]
ISAS
2001-07-03
[2]
웹사이트
Reusable Vehicle Test at Noshiro Testing Center
http://www.isas.ac.j[...]
ISAS
2009-07-14
[3]
웹사이트
JAXAにおける宇宙輸送に関わる取り組み
https://www.mext.go.[...]
JAXA
2020-06-15
[4]
웹인용
Reusable Rocket Vehicle Test (RVT)
http://www.isas.jaxa[...]
ISAS
2001-07-03
[5]
웹인용
Reusable Vehicle Test at Noshiro Testing Center
http://www.isas.ac.j[...]
ISAS
2021-02-09
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